ANSYS Mechanical拓扑优化在工业结构设计的应用
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• 设计时不用考虑包括网状在内复杂机构制造时的难度 • 最小化零件数量
•减少材料浪费，增强耐久性 …
为什么仿真是充分实现增材制造所有潜力的关键? • 强化物理驱动的自由形式设计优化方法
• 拓扑优化
• 允许优化设计的验证 • 为增材制造检查优化后的零件
GE 航空新材料喷嘴: • 重量减轻25% • 5 倍寿命提升 • 设计生产效率提高20倍 • 更低成本
ANSYS Mechanical 拓扑优化功能 在工业产品结构设计中的应用
大纲
介绍 •背景 •功能预览
新拓扑优化系统 •优化功能 •界面及使用
设计验证流程 •项目流程设置 •使用SpaceClaim编辑优化后几何模型 •验证新设计 •为增材制造输出优化后模型
2
介绍
增材制造优势？ •在复杂几何结构上的巨大优势!
• Named Selection • 可能是几何模型或 者网格集合
10
定义优化设计目标
对于Static Structural and Modal 分析 可以定义如下优化目标： • Static Structural: 单个或多个载荷
步 • 最小柔度 • 最小体积 • 最小质量
• Modal: 单个或多个固有频率 • 最大频率 • 最小体积 • 最小质量
• 最大固有频率 • 单个和多个频率
• 最小质量 • 最小体积
• 响应约束
• 质量 • 体积 • 整体(von-Mises) 应力 • 位移(Beta) • 固有频率
• 制造约束
• 最小元件尺寸 • 最大元件尺寸 • 拉伸方向(Beta)
7
拓扑优化系统
通过Static Structural or Modal 模块 将仿真数据传递到拓扑优化模块上 NOTE: 在R18.0，仅Static Structural or Modal支持拓扑优化
优化区域(该区域不移除材料) • 响应约束: 定义拓扑优化时极限质量或体
积，最大应力等 • 目标: 定义优化目标，例如最小柔度或者
最大固有频率
可在Topology Optimization 处插入额外的分 析功能
9
定义优化区域
选择优化区域: • Geometry
• 可能是整个组装件, 部分组装件, 或者单 个或多个零件
3
功能预览
R18.0 提供新的基于物理设计优化技术 •针对结构领域的新拓扑优化系统
• 连接到Static Structural or Modal 模块 • 定义优化目标和约束 • 发现优化后的几何模型 • 检查优化后的几何模型
•设计验证流程
• 原始和优化后的模型可传递到验证系统 • 在SpaceClaim编辑优化后模型 • 对优化后模型进行验证分析 • 为3D打印导出优化后几何格式文件
• Modal: • 质量 (默认设置，50%) • 体积(默认设置，50%) • 固有频率Natural Frequency • 对于每阶模态可以添加最小/最大 频率范围
12
定义制造约束
可以定义如下制造约束： • 最小元件尺寸 • 最大元件尺寸 • 拉伸方向(Beta) 最大、最小元件尺寸可以使用系统默认尺寸，也可以 手动修改
14
Optimization Solution Monitoring
监测优化过程的方法：
• 求解器输出和收敛表格 • 从Solution Information中查 看求解信息 • 从 optimization output中查 看 objectives and response constraints收敛图表信息
• 拓扑密度跟踪器 • 求解过程中，查看外形演 变过程 • Nodal Averaged (默认) and Elemental Topology Density 的结果可以被跟踪 • 使用者可以在任何时刻停 止求解(假如外形优化过程 已经稳定) 并且可以检查可 用的结果信息
15
优化结构后处理
可视化并检查Nodal Averaged (默认) or Elemental Topology Densities
11
定义响应约束
对于Static Structural and Modal 分 析可以定义如下优化目标：
• Static Structural: • 质量 (默认设置，50%) • 体积 (默认设置，50%) • 位移(Beta in R18.0) • 全局 von-Mises 应力 • 在表格选项中，可以对每个载荷步 施加不同全局应力约束
4
工作流程预览
最新流程
建 立 Static Structural (Modal)
分析
拓扑优化
导出优化后文件
3D打印
设计验证
原始模型
优化后零件
设计验证
5
拓扑优化系统
6
功能预览Leabharlann Baidu
• 结构分析
• 线性静态结构分析 • 模态分析 • 稳态分析 • 线性绑定接触 • 仅二维或三维实体结构分析
• 优化目标
• 最大刚度 • 单个和多个载荷
• 拓扑密度值范围（0～1.0） • 高数值表示材料必须被保留，低数值表 示多余材料可以被去除
• 阈值选项 • 使用者可以改变默认阈值，并使用直觉 来决定”最优”拓扑结果 • 默认值0.5，作为优化拓扑结果参考值 • 彩色云图为决定最终的阈值提供通用的 指导 • 高数值导致更“苗条” 结构(更大胆设计 ), 低数值导致”矮胖”结构 (更保守设计) • 根据所选择的阈值可以计算出拓扑优化 后的体积和质量并且和原始的体积和质 量对比，帮助用户进一步确定 “更优化” 拓扑结构
13
拓扑优化设置
• 对于Static Structural or Modal 分析的网格设置 推荐： • 使用四边形网格(保留中间节点) • 如果可能，使用网格常数尺寸
• 分析设置 • 可以对收敛精度等进行检查或修改设置 • 系统控制或者默认设置
• 启动拓扑优化 • 右击Topology Optimization下的Solution object 并且选择 “Solve” • 注意: 为了使用到最大数量的物理内核，可以 使用SMP 和DANSYS方式来进行加速 • 设置方法：Tools Solver Process Settings… Advanced…
8
拓扑优化系统
由于进行数据连接传递，“Topology Optimization” 模块出现在仿真分析树状图下
在Topology Optimization添加默认类型 : • Analysis Settings: 多种求解器设置和控制 • Solution Selection:指示上游仿真类型 • Optimization Region:定义优化区域或排除
•减少材料浪费，增强耐久性 …
为什么仿真是充分实现增材制造所有潜力的关键? • 强化物理驱动的自由形式设计优化方法
• 拓扑优化
• 允许优化设计的验证 • 为增材制造检查优化后的零件
GE 航空新材料喷嘴: • 重量减轻25% • 5 倍寿命提升 • 设计生产效率提高20倍 • 更低成本
ANSYS Mechanical 拓扑优化功能 在工业产品结构设计中的应用
大纲
介绍 •背景 •功能预览
新拓扑优化系统 •优化功能 •界面及使用
设计验证流程 •项目流程设置 •使用SpaceClaim编辑优化后几何模型 •验证新设计 •为增材制造输出优化后模型
2
介绍
增材制造优势？ •在复杂几何结构上的巨大优势!
• Named Selection • 可能是几何模型或 者网格集合
10
定义优化设计目标
对于Static Structural and Modal 分析 可以定义如下优化目标： • Static Structural: 单个或多个载荷
步 • 最小柔度 • 最小体积 • 最小质量
• Modal: 单个或多个固有频率 • 最大频率 • 最小体积 • 最小质量
• 最大固有频率 • 单个和多个频率
• 最小质量 • 最小体积
• 响应约束
• 质量 • 体积 • 整体(von-Mises) 应力 • 位移(Beta) • 固有频率
• 制造约束
• 最小元件尺寸 • 最大元件尺寸 • 拉伸方向(Beta)
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拓扑优化系统
通过Static Structural or Modal 模块 将仿真数据传递到拓扑优化模块上 NOTE: 在R18.0，仅Static Structural or Modal支持拓扑优化
优化区域(该区域不移除材料) • 响应约束: 定义拓扑优化时极限质量或体
积，最大应力等 • 目标: 定义优化目标，例如最小柔度或者
最大固有频率
可在Topology Optimization 处插入额外的分 析功能
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定义优化区域
选择优化区域: • Geometry
• 可能是整个组装件, 部分组装件, 或者单 个或多个零件
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功能预览
R18.0 提供新的基于物理设计优化技术 •针对结构领域的新拓扑优化系统
• 连接到Static Structural or Modal 模块 • 定义优化目标和约束 • 发现优化后的几何模型 • 检查优化后的几何模型
•设计验证流程
• 原始和优化后的模型可传递到验证系统 • 在SpaceClaim编辑优化后模型 • 对优化后模型进行验证分析 • 为3D打印导出优化后几何格式文件
• Modal: • 质量 (默认设置，50%) • 体积(默认设置，50%) • 固有频率Natural Frequency • 对于每阶模态可以添加最小/最大 频率范围
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定义制造约束
可以定义如下制造约束： • 最小元件尺寸 • 最大元件尺寸 • 拉伸方向(Beta) 最大、最小元件尺寸可以使用系统默认尺寸，也可以 手动修改
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Optimization Solution Monitoring
监测优化过程的方法：
• 求解器输出和收敛表格 • 从Solution Information中查 看求解信息 • 从 optimization output中查 看 objectives and response constraints收敛图表信息
• 拓扑密度跟踪器 • 求解过程中，查看外形演 变过程 • Nodal Averaged (默认) and Elemental Topology Density 的结果可以被跟踪 • 使用者可以在任何时刻停 止求解(假如外形优化过程 已经稳定) 并且可以检查可 用的结果信息
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优化结构后处理
可视化并检查Nodal Averaged (默认) or Elemental Topology Densities
11
定义响应约束
对于Static Structural and Modal 分 析可以定义如下优化目标：
• Static Structural: • 质量 (默认设置，50%) • 体积 (默认设置，50%) • 位移(Beta in R18.0) • 全局 von-Mises 应力 • 在表格选项中，可以对每个载荷步 施加不同全局应力约束
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工作流程预览
最新流程
建 立 Static Structural (Modal)
分析
拓扑优化
导出优化后文件
3D打印
设计验证
原始模型
优化后零件
设计验证
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拓扑优化系统
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功能预览Leabharlann Baidu
• 结构分析
• 线性静态结构分析 • 模态分析 • 稳态分析 • 线性绑定接触 • 仅二维或三维实体结构分析
• 优化目标
• 最大刚度 • 单个和多个载荷
• 拓扑密度值范围（0～1.0） • 高数值表示材料必须被保留，低数值表 示多余材料可以被去除
• 阈值选项 • 使用者可以改变默认阈值，并使用直觉 来决定”最优”拓扑结果 • 默认值0.5，作为优化拓扑结果参考值 • 彩色云图为决定最终的阈值提供通用的 指导 • 高数值导致更“苗条” 结构(更大胆设计 ), 低数值导致”矮胖”结构 (更保守设计) • 根据所选择的阈值可以计算出拓扑优化 后的体积和质量并且和原始的体积和质 量对比，帮助用户进一步确定 “更优化” 拓扑结构
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拓扑优化设置
• 对于Static Structural or Modal 分析的网格设置 推荐： • 使用四边形网格(保留中间节点) • 如果可能，使用网格常数尺寸
• 分析设置 • 可以对收敛精度等进行检查或修改设置 • 系统控制或者默认设置
• 启动拓扑优化 • 右击Topology Optimization下的Solution object 并且选择 “Solve” • 注意: 为了使用到最大数量的物理内核，可以 使用SMP 和DANSYS方式来进行加速 • 设置方法：Tools Solver Process Settings… Advanced…
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拓扑优化系统
由于进行数据连接传递，“Topology Optimization” 模块出现在仿真分析树状图下
在Topology Optimization添加默认类型 : • Analysis Settings: 多种求解器设置和控制 • Solution Selection:指示上游仿真类型 • Optimization Region:定义优化区域或排除